Biogeochemical impact of cable bacteria on coastal Black Sea sediment  

電纜細(xì)菌對黑海海岸沉積物的生物地球化學(xué)影響  

來源：Biogeosciences, Volume 17, 2020, Pages 5919–5938

《生物地球科學(xué)》第17卷（2020年），第5919–5938頁

 

摘要核心內(nèi)容

 

研究通過實驗室培養(yǎng)實驗（持續(xù)621天），探究電纜細(xì)菌對黑海海岸沉積物中鐵（Fe）、磷（P）、硫（S）循環(huán)的影響。核心發(fā)現(xiàn)：  

1. 電纜細(xì)菌快速定殖：5天內(nèi)迅速繁殖（FISH檢測豐度從14 m cm?2增至724 m cm?2），26天達峰值（1035 m cm?2）（Fig. 1c）。  

 

2. 代謝活動特征：  

   ? 形成亞氧化區(qū)（O?與H?S均缺失），pH呈現(xiàn)表層最大值（~9）和深層最小值（<6.5）（Fig. 2a）。  

   ? 電化學(xué)電位（EP）證實長距離電子傳遞，電流密度峰值達128 e? mmol m?2 d?1（Fig. 2b, 4b）。  

 

 

3. 元素循環(huán)重構(gòu)：  

   ? 孔隙水酸化溶解FeS（30%）和菱鐵礦（siderite, 70%），釋放Fe2?（高達1.7 mM）和Mn2?（Fig. 5）。  

   ? Fe2?上涌氧化形成富鐵氧化物層（厚度0.3 mm），同時富集磷（P）（μXRF顯示Fe-P共定位，F(xiàn)ig. 8a）。  

 

 

4. 環(huán)境意義：電纜細(xì)菌活動可延緩沉積物H?S釋放，并通過亞表層鐵氧化物層固定磷，抑制水體富營養(yǎng)化。  

 

研究目的

 

1. 驗證電纜細(xì)菌在低FeS沉積物中的定殖能力；  

2. 量化電纜細(xì)菌對Fe、Mn、P、S循環(huán)的調(diào)控作用；  

3. 探索亞表層鐵氧化物層作為電纜細(xì)菌活動的生物標(biāo)志物。  

 

研究思路

 

1. 實驗設(shè)計：  

   ? 采集黑海西北陸架沉積物（27 m水深），實驗室模擬有氧/缺氧條件（Fig. 1b）。  

 

   ? 監(jiān)測時間點：0–621天，分析孔隙水化學(xué)、固相礦物及微生物豐度。  

 

2. 多參數(shù)監(jiān)測：  

   ? 微生物活動：FISH定量電纜細(xì)菌豐度（Fig. 1c），EP微電極測電子傳遞（Fig. 2b）。  

 

   ? 地球化學(xué)響應(yīng)：微電極剖面（O?、H?S、pH）、孔隙水離子（Fe2?、Mn2?、Ca2?、HPO?2?）、固相分餾（Fe氧化物、FeS、菱鐵礦）（Fig. 5, 7）。  

   ? 高分辨率成像：μXRF繪制Fe、Mn、P、Ca空間分布（Fig. 8）。  

 

3. 模型驗證：基于菲克定律計算溶質(zhì)擴散通量，關(guān)聯(lián)電流密度與O?消耗（Fig. 9）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 電纜細(xì)菌豐度（FISH）（Fig. 1c）  

   ? 數(shù)據(jù)：5天豐度激增50倍（14→724 m cm?2），26天達峰值（1035 m cm?2）。  

 

   ? 意義：證實貧FeS環(huán)境中電纜細(xì)菌仍可快速定殖，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)“高H?S環(huán)境依賴”認(rèn)知。  

 

2. 微電極剖面（O?、H?S、pH）（Fig. 2a）  

   ? 數(shù)據(jù)：O?滲透深度從1.1 mm增至9.6 mm；H?S始終<5 μM；pH呈現(xiàn)“表堿深酸”兩極分化。  

 

   ? 意義：揭示電纜細(xì)菌形成亞氧化區(qū)的代謝指紋，為電子傳遞提供生境證據(jù)。  

 

3. 電化學(xué)電位（EP）（Fig. 2b）  

   ? 數(shù)據(jù)：EP峰值1.2 mV（26天），電流密度與O?消耗線性相關(guān)（R2=0.96, Fig. 9）。  

 

   ? 意義：量化電子傳遞效率，確立“1分子O?還原伴隨4電子傳遞”的代謝模型。  

 

4. 孔隙水離子通量（Fig. 6）  

   ? 數(shù)據(jù)：Fe2?上涌通量峰值3.16 mmol m?2 d?1（12天），Ca2?通量18 mmol m?2 d?1。  

 

   ? 意義：酸化溶解菱鐵礦釋放Fe2?（占Fe源70%），顛覆“FeS為主鐵源”的傳統(tǒng)觀點。  

 

5. μXRF元素分布（Fig. 8）  

   ? 數(shù)據(jù)：0.3 mm厚亞表層富集Fe-P（實驗室及野外站點均重現(xiàn)）。  

 

   ? 意義：提出亞表層鐵氧化物層為電纜細(xì)菌活動的新型生物標(biāo)志物，尤其適用于生物擾動弱的區(qū)域。  

 

結(jié)論

 

1. 代謝驅(qū)動礦物溶解：電纜細(xì)菌酸化孔隙水，溶解菱鐵礦（70%）和FeS（30%），釋放Fe2?形成氧化物層。  

2. 磷固定機制：Fe氧化物層共沉淀P，減少HPO?2?上涌（Fig. 8a），緩解水體富營養(yǎng)化。  

3. 生物標(biāo)志物：0.3 mm厚Fe-P富集亞表層是電纜細(xì)菌活動的可靠指示（實驗室與野外一致）。  

4. 環(huán)境適應(yīng)性：電纜細(xì)菌在低FeS沉積物中仍可活躍，拓寬其生態(tài)分布認(rèn)知。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

1. 高分辨率代謝活動解析：  

   ? O?/H?S/pH微電極（50 μm分辨率）直接觀測亞氧化區(qū)形成（Fig. 2a），證實電纜細(xì)菌通過空間解耦的“H?S深部氧化-O?表層還原”維持代謝。  

 

2. 電子傳遞量化：  

   ? EP電極（500 μm分辨率）首次捕獲沉積物內(nèi)電流密度動態(tài)（峰值128 e? mmol m?2 d?1），建立電流密度與O?消耗的定量模型（Fig. 9），為電活性生物地球化學(xué)提供實證。  

 

3. 酸化機制驗證：  

   ? pH剖面顯示深層pH<6.5（Fig. 2a），直接關(guān)聯(lián)菱鐵礦溶解（FeCO? + 2H? → Fe2? + CO? + H?O），解釋70% Fe2?來源。  

 

4. 工程應(yīng)用指導(dǎo)：  

   ? 低H?S（<5 μM）數(shù)據(jù)表明電纜細(xì)菌可抑制沉積物H?S釋放，為海岸帶缺氧治理提供生物調(diào)控新策略。